Chem. Soc. Rev.最新封面：二氧化碳光催化研究里的学科交叉

微著

2020-08-19

通讯作者：Geoffrey A. Ozin

通讯单位：多伦多大学化学系

加拿大多伦多大学Geoffrey Ozin教授近日在Chemical Society Reviews上发表题为“Shining light on CO₂: From Materials Discovery to Photocatalyst, Photoreactor and Process Engineering”的教程综述（tutorial review）文章, 以纪念Ozin教授的77岁生日。Ozin课题组在多相光催化二氧化碳（CO₂）加氢领域有着近十年的研究经验。此综述是由化学、理论计算和工程系三个专业的研究者共同完成，旨在以氧化铟系列催化剂为例，从催化剂修饰、理论计算设计、反应器优化和催化反应效率评估四个方面完整地展现多相光催化CO₂加氢反应将太阳能转化为化学能的研究思路。

研究亮点：

1.通过修饰催化材料和调整反应器以提高多相光催化CO₂加氢反应速率

2.通过巧妙设计理论计算模型来帮助研究催化机理，以及光和热对于催化反应的影响

3.对比CO₂转化反应里的不同催化机理：光化学催化，热化学催化和光热催化

4.列举评估光催化反应的可行性和应用前景时所需要考虑的参数

一、研究背景和文章初衷

多相光催化CO₂加氢在解决温室气体CO₂排放问题和清洁能源生产上极具应用前景。在此领域发展的几十年来，已经有许多优秀的综述发表，但都主要集中在液相催化或是着重于催化材料和催化机理的介绍上。气固多相光催化CO₂加氢反应相比于液相反应具有产物易分离、高选择性和高产率的优点，并与现代工业使用的热催化反应系统更易结合。随着光热催化剂的发展，光催化CO₂加氢反应的光能利用率也得到大大的提高。伴随着这些机遇，气固多相光催化CO₂加氢要实现工业化应用还面临着许多挑战，例如在长时间反应下催化材料的活性和稳定性，催化机理的复杂性，反应器的设计对催化效率的影响，和整体生命周期评估下的经济环保效益。

此综述面向广泛的读者群：无论是已经在CO₂光催化领域的学者，或是对此领域感兴趣的读者，希望通过介绍，都能了解此领域研究所涵盖的重要学术分支及对应的研究思路；伴随着实际研究案例的介绍，本文为读者完整地展现此领域高度学科交叉的特点，也希望能够鼓励更多跨学科的合作。

二、文章概览

要点1：催化剂里的变色龙-金属氧化物

金属氧化物半导体材料由于较高的化学稳定性和可塑性在光催化反应中应用广泛。在气固多相反应里，决定光催化剂催化效率的主要因素有三个：（1）催化剂对不同波段光的吸收能力；（2）光生电子的存活时间；（3）催化位点在捕捉反应分子和活化反应分子的能力。因此，好的光催化剂需要同时具备优秀的光电性能和高活性的催化位点。带有表面羟基和氧空位的缺陷氧化铟在气相光催化二氧化碳加氢反应里具有较高活性。为了进一步提高氧化铟材料的催化活性和稳定性，研究者们采用不同修饰方法对氧化铟的光电性能和表面活性位点进行调节。这些方法包括：制备不同形貌、不同晶相的氧化铟、掺杂其他金属元素、制备黑色氧化铟引入光热效应和与其他半导体载体结合形成异质结构。

图1: 文章中列举的不同氧化铟材料及修饰方法之间的联系

要点2：资源有限，该如何设计合适的理论计算模型

催化材料性能的进步和提高离不开对催化反应机理的了解。然而，在研究金属氧化物半导体催化剂和光催化反应机理的过程中，研究者会在模型设计和实施上遇到很多阻碍，并往往需要同时兼顾模型的准确性和计算资源的利用效率。文章中“Computational Modelling”部分以带有表面羟基和氧空位的缺陷氧化铟材料为例，介绍了在研究材料表面活性位、催化机理、光效应和热效应这些情况下模型设计背后的故事。

要点3：材料活性不高，可能是反应器出了问题

在气固多相光催化反应研究中最常使用的反应器包括密闭反应器（batch reactor）和流式反应器（flow reactor）。通过模拟计算，我们发现这些传统的反应器在光传递和热传导上面具有很多缺陷，从而影响了最终的催化效率。针对这个问题，文章中“Photoreactor Design, Modelling, and Photocatalyst Testing”部分列举了如何结合环形反应器和导光导热载体的使用，来提高催化效率。

图2：模拟计算研究现在普遍使用的反应器的光传递和热传导性能

要点4：我们离工业应用还有多远

目前在CO₂光催化加氢的研究中，关于催化效率大家普遍报道的是反应速率，转化率这些参数。但是要真正实现工业化应用，我们需要从碳效率（carbon efficiency）, 光及能源效率（Photo & Energy efficiency）, 空间需求（Space requirement）, 减少温室气体的潜力（GHG reduction potential）和投资回报率（Return on Capital Investment）这五方面综合来看。文章中“Potential of Photocatalytic Processes”部分向大家概述了这些因素的重要性和评估方法。

参考文献及原文链接

Chem. Soc. Rev., 2020,49, 5648-5663

DOI: 10.1039/D0CS00597E

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00597e

作者简介

Geoffrey A. Ozin 是多伦多大学杰出教授和加拿大政府材料化学与纳米化学研究会主席。他如今领衔多伦多大学“太阳能燃料团队”。同时他也是英国皇家协会和伦敦大学的名誉教授，伦敦纳米技术中心的外部顾问，德国马普所表面和胶体科学研究所等学术机构的高级科学家。他发表过三本书，分别是最近出版的The story of CO₂: big ideas for a small molecule，2009年出版的Concepts of Nanochemistry 和2006年出版的Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials。

课题组主页：http://www.solarfuels.utoronto.ca/